Variable displacement, Cylinder Deactivation – “Giảm dung tích tạm thời” dưới hình thức ngừng kích hoạt xi-lanh mang lại một sự thỏa hiệp hấp dẫn, vì điều này cho phép động cơ thay đổi chế độ vận hành để đạt được con số tiêu thụ cụ thể mà nó được định mức, đặc biệt là khi tải trọng và tốc độ vận hành thấp. Đồng thời, người lái vẫn có sẵn một động cơ đủ mạnh để đảm bảo mức độ cảm giác thích thú và thoải mái khi lái xe liên quan đến đặc tính âm thanh và độ rung. Một yếu tố thành công quan trọng khác có thể giúp công nghệ này được triển khai theo xu hướng phổ biến hơn là nó có thể được tích hợp vào các mẫu động cơ hiện có với chi phí chấp nhận được.
Vô hiệu hóa xi lanh là gì?
Cylinder Deactivation – Vô hiệu hóa xi lanh, hay CDA, là một kỹ thuật trong động cơ nhiều xi-lanh trong đó sự kết hợp của các xi-lanh bị vô hiệu hóa một cách có hệ thống, làm giảm dung tích hiệu dụng của động cơ, cải thiện hiệu suất động cơ tổng thể và tiết kiệm nhiên liệu.
Variable displacement – Dung tích biến thiên là một công nghệ động cơ đốt trong cho phép thay đổi dung tích động cơ, thường bằng cách tắt xi lanh (vô hiệu hóa xi lanh), để cải thiện khả năng tiết kiệm nhiên liệu. Công nghệ này chủ yếu được sử dụng trong động cơ nhiều xi-lanh cỡ lớn. Nhiều nhà sản xuất ô tô đã áp dụng công nghệ này kể từ năm 2005, mặc dù khái niệm này đã tồn tại một thời gian trước đó.
Như vậy bản chất của Vô hiệu hóa xi lanh Cyliner Deactivation chính là Công nghệ Dung tích biến thiên Variable displacement – là công nghệ thay đổi dung tích hoạt động của động cơ theo yêu cầu.
CDA đạt được bằng cách vô hiệu hóa các van nạp và van xả của xi lanh ngừng hoạt động. Điều này có thể được thực hiện trên nhiều xi-lanh của một động cơ cung cấp các biến thể về dung tích xi-lanh chủ động. Đối với động cơ xăng, việc này được thực hiện nhằm cải thiện công bơm và tăng khả năng tiết kiệm nhiên liệu.
Việc ngừng kích hoạt xi lanh không chỉ dành cho động cơ xăng. Trong động cơ diesel, việc ngừng hoạt động của xi lanh được sử dụng nhằm mục đích làm nóng khí thải. Bằng cách ngừng kích hoạt các xi-lanh ở mức tải thấp, các xi-lanh hoạt động còn lại hoạt động mạnh hơn và tạo ra nhiều nhiệt hơn, giúp hệ thống xử lý sau nóng nhanh hơn và giảm lượng khí thải.
Lý thuyết
Việc ngừng kích hoạt xi lanh được sử dụng để giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và khí thải của động cơ đốt trong trong quá trình vận hành tải nhẹ. Khi lái xe tải nhẹ thông thường, người lái chỉ sử dụng khoảng 30% công suất tối đa của động cơ. Trong những điều kiện này, van tiết lưu gần như đóng lại và động cơ cần phải hoạt động để hút không khí. Điều này gây ra hiện tượng kém hiệu quả được gọi là tổn thất bơm. Một số động cơ công suất lớn cần phải giảm ga nhiều khi tải nhẹ đến mức áp suất xi-lanh tại điểm chết trên xấp xỉ một nửa so với động cơ 4 xi-lanh nhỏ. Áp suất xi lanh thấp dẫn đến hiệu suất nhiên liệu thấp hơn. Việc sử dụng chức năng vô hiệu hóa xi lanh khi tải nhẹ có nghĩa là có ít xi lanh hút không khí từ đường ống nạp hơn, điều này có tác dụng làm tăng áp suất chất lỏng (không khí) của nó. Vận hành mà không có dung tích thay đổi là lãng phí vì nhiên liệu được bơm liên tục vào từng xi lanh và được đốt cháy mặc dù không yêu cầu hiệu suất tối đa. Bằng cách tắt một nửa số xi-lanh của động cơ, lượng nhiên liệu tiêu thụ sẽ ít hơn nhiều. Giữa việc giảm tổn thất bơm, làm tăng áp suất trong mỗi xi lanh vận hành và giảm lượng nhiên liệu được bơm vào xi lanh, mức tiêu thụ nhiên liệu có thể giảm từ 8 đến 25% trong điều kiện đường cao tốc.
Việc ngừng kích hoạt xi lanh được thực hiện bằng cách đóng van nạp và van xả đối với một xi lanh cụ thể. Bằng cách giữ cho van nạp và van xả đóng, nó tạo ra một “lò xo không khí” trong buồng đốt – khí thải bị mắc kẹt (được giữ lại từ quá trình đốt trước đó) được nén trong quá trình piston đi lên và đẩy piston xuống trong quá trình đi xuống. Việc nén và giải nén khí thải bị mắc kẹt có tác dụng cân bằng – về tổng thể, hầu như không có thêm tải trọng nào lên động cơ. Trong loại hệ thống ngừng kích hoạt xi-lanh mới nhất, hệ thống quản lý động cơ cũng được sử dụng để cắt lượng nhiên liệu cung cấp cho các xi-lanh bị vô hiệu hóa. Quá trình chuyển đổi giữa hoạt động bình thường của động cơ và ngừng kích hoạt xi-lanh cũng được thực hiện trơn tru nhờ những thay đổi về thời điểm đánh lửa, thời điểm cam và vị trí bướm ga (nhờ điều khiển bướm ga điện tử). Trong hầu hết các trường hợp, việc ngừng kích hoạt xi lanh được áp dụng cho động cơ phân khối tương đối lớn, đặc biệt kém hiệu quả khi tải nhẹ. Trong trường hợp động cơ V12, có thể vô hiệu hóa tối đa 6 xi-lanh.
Vô hiệu hóa xi lanh hoạt động như thế nào?
Nhiều nhà sản xuất đã tung ra các hệ thống vô hiệu hóa xi lanh riêng, và cách thức hoạt động chính xác của chúng có thể hơi khác nhau, nhưng khái niệm tổng thể là như nhau: Khi không cần hết công suất tối đa, một số xi-lanh sẽ không nhận được nhiên liệu.
Việc vô hiệu hóa chủ yếu được sử dụng trên động cơ V6 hoặc V8, về nguyên tắc, nó làm giảm dung tích của động cơ khi nó hoạt động: Công suất động cơ lớn hơn khi tất cả các xi-lanh được kích hoạt và tiết kiệm nhiên liệu với công suất nhỏ hơn khi một số xi-lanh bị tắt.
Tuy nhiên, một giải pháp khác là các nhà sản xuất ô tô thích sử dụng động cơ tăng áp nhỏ, giúp cung cấp thêm không khí và nhiên liệu để cung cấp thêm năng lượng khi cần thiết. Về cơ bản, việc ngừng kích hoạt là động cơ lớn hơn có thể hoạt động giống như động cơ nhỏ hơn, khi tăng áp là động cơ nhỏ hơn có thể hoạt động giống như động cơ lớn hơn. (Một số nhà sản xuất ô tô cũng kết hợp việc ngừng kích hoạt xi lanh và tăng áp trên động cơ của họ.)
Khi một xi lanh ngừng hoạt động, hệ thống sẽ đóng các van nạp và các van xả để không nhận thêm khí nạp và giải phóng khí đã qua sử dụng. Nó cũng ngừng phun nhiên liệu vào xi lanh. Pít-tông vẫn di chuyển lên xuống.
Hiệu quả tăng thêm không chỉ ở một nửa số xi-lanh nhận được nhiên liệu. Khi bạn không yêu cầu nhiều ở động cơ của mình, chẳng hạn như khi bạn đang di chuyển ở tốc độ ổn định, động cơ sẽ không hoạt động ở hiệu suất cao nhất. Các piston phải vượt qua lực cản của không khí khi chúng hút vào và đẩy không khí ra ngoài, được gọi là tổn thất bơm.
Khi bạn nhấn nhẹ ga, chẳng hạn như ở tốc độ ổn định, tổn thất bơm sẽ cao hơn do chênh lệch áp suất giữa đường ống nạp và ống xả. Khi một số xi lanh ngừng hoạt động, không có không khí đi vào hoặc ra khỏi chúng, do đó không bị thất thoát khi bơm. Ngoài ra, khi động cơ tự động bù đắp cho những xi-lanh “bị thiếu” đó, nó sẽ tạo ra ít chênh lệch áp suất khí nạp-xả hơn. Điều này làm giảm tổn thất bơm trong các xi lanh hoạt động, khiến chúng hoạt động hiệu quả hơn. Mặc dù chúng giúp di chuyển các pít-tông đã ngừng hoạt động nhưng vì tất cả chúng đều được gắn vào trục khuỷu nên nhìn chung động cơ vẫn hoạt động hiệu quả hơn.
Các công nghệ vô hiệu hóa xi lanh
Sturtevant
Việc triển khai chức năng Vô hiệu hóa Xi lanh đầu tiên được thực hiện trên chiếc ô tô 6 xi-lanh Sturtevant 38 / 45HP, được sản xuất vào năm 1905, tại Boston, Ma. Người lái xe có thể tắt 3 xi-lanh bằng cách dừng một trong các magneto đánh lửa và mở vĩnh viễn van xả trên các xi-lanh tương ứng. Hiệu quả của hệ thống này chưa được biết đến nhưng nó được coi là hệ thống tiên phong của kỹ thuật CDA.
Enger
Enger Twin-Unit Twelve ra mắt lần đầu tiên vào năm 1917, với động cơ V12 3,7 lít 60° có cần gạt trên cột lái, khi hoạt động sẽ giữ cho van xả mở ở một trong hai dãy 6 xi-lanh, để tránh bị nén, đồng thời đóng ống nạp ở cùng một phía của động cơ.
GM
Năm 1981, General Motors (GM) giới thiệu động cơ Cadillac Modular Displacement 8 xi-lanh với cò mổ điều khiển bằng điện từ để tắt van nạp và van xả.
Vào năm 2005 và 2007, General Motors đã tung ra động cơ V8 5,3L và động cơ V6 3,9L có bộ nâng van vô hiệu hóa bằng thủy lực, như trong Hình 3, để vô hiệu hóa van nạp và van xả trên một nửa số xi-lanh của động cơ. Displacement on Demand, như tên gọi của nó, đã được đổi tên thành Active Fuel Management trong những năm qua và hứa hẹn sẽ tiết kiệm nhiên liệu thêm 12% cho động cơ V8.
Năm 2018, phiên bản cải tiến mang tên Dynamic Fuel Management cho phép ngắt từ 1 đến 7 xi-lanh tùy theo nhu cầu, sử dụng công nghệ Dynamic Skip Fire (DSF) cho CDA biến thiên.
Mitsubishi
Năm 1982, Mitsubishi tung ra động cơ 4 xi-lanh 1.4L với dung tích biến thiên, loại động cơ này sẽ tắt van nạp và van xả thông qua bộ chuyển mạch thủy lực. Hệ thống CDA Dịch chuyển Điều biến (Modulated Displacement CDA) sau đó đã được triển khai trên động cơ Mitsubishi V6.
Năm 1993, một năm sau khi Mitsubishi giới thiệu hệ thống điều phối van biến thiên (VVT) của riêng mình, thế hệ thứ hai của CDA, MIVEC-MD, đã được triển khai. Hệ thống này được chứng minh là không thể nhận thấy trong quá trình kích hoạt và có thể giảm mức tiêu thụ nhiên liệu tới 20%. Tuy nhiên, Modulated Displacement đã bị loại bỏ vào năm 1996.
Daimler Chrysler
Daimler Chrysler áp dụng hệ thống Kiểm soát xi lanh chủ động (Active Cylinder Control) lần đầu tiên vào năm 2001, trên động cơ V12 5,8 lít được Mercedes-Benz sử dụng, sử dụng bộ nâng thủy lực với chức năng vô hiệu hóa được thực hiện bằng bu lông vận hành bằng thủy lực. Hệ thống này cũng được Chrysler sử dụng dưới tên Hệ thống Đa ung tích (Multi-Displacement System), để vô hiệu hóa van nạp và van xả của xi-lanh 8-3-5-2 trên động cơ V8 5,7L từ năm 2004, vẫn được sử dụng trên các động cơ dẫn động này. Hệ thống này cũng được triển khai trên động cơ V6 trong nhóm.
Honda
Năm 2008, Honda ra mắt động cơ 3.5L V6 xi-lanh biến thiên (variable cylinder engine -VCM) với hệ thống i-VTEC trên mỗi xi-lanh. Cơ cấu i-VTEC tạo áp lực lên một chốt trượt để kết nối các cò mổ dùng để vận hành các van của xi lanh tương ứng. Khi chốt trượt không được kích hoạt, tay cò mổ không mở van và xi-lanh ngừng hoạt động. Ngoài việc vô hiệu hóa các xi lanh đã chọn, cơ chế này còn giảm tổn thất do ma sát. Hệ thống có thể vô hiệu hóa 2 hoặc 3 xi lanh tùy theo yêu cầu. Hệ thống được triển khai trên một trong các dàn xi lanh.
Audi, Volkswagen
Năm 2012, Audi áp dụng hệ thống Xi lanh theo yêu cầu (Cylinder-On-Demand) cho động cơ V8 của mình; hệ thống tương tự đã được áp dụng cho động cơ 4 xi-lanh của hãng vào năm 2013. Các van cần thiết được đóng trên bốn trục cam bằng phiên bản cải tiến của Hệ thống nâng van Audi (Audi Valvelift System – AVS). Trục rỗng có rãnh có thể trượt sang một bên, hoạt động bằng điện từ và có thể có thêm một cam van “không mở”; bởi vì các cần gạt không được dẫn động nên các lò xo van sẽ giữ chúng đóng lại. Đồng thời, hệ thống quản lý động cơ dừng phun nhiên liệu và đánh lửa.
Vào năm 2013, VW đã giới thiệu Công nghệ xi lanh chủ động (ACT) trên động cơ 1.4 TSI của mình. Bốn cuộn dây điện từ, phía trên xi lanh 2 và 3 điều khiển sự dịch chuyển dọc trục của trục cam để chuyển từ cấu hình cam thông thường sang “zero-opening” bằng cách sử dụng các rãnh trên trục cũng cho phép xác nhận chế độ kích hoạt của hệ thống ngừng kích hoạt xi lanh.
Công nghệ vô hiệu hóa xi lanh động cơ biến thiên hoàn toàn
Đặc điểm chung của các công nghệ được trình bày cho đến nay là số lượng và kiểu xi-lanh không hoạt động cố định trong một chu kỳ động cơ. Trong mỗi công nghệ CDA được trình bày, động cơ chuyển từ chế độ vận hành hoàn toàn sang một hoặc nhiều nhất hai phương án vận hành với các xi-lanh bị vô hiệu hóa, chẳng hạn như từ 6 đến 4 đến 3 xi-lanh. Công nghệ Dynamic Skip Fire (DSF) không chuyển sang kiểu ngừng kích hoạt xi lanh cố định mà thay đổi quá trình đánh lửa trên xi lanh và bỏ qua liên tục tùy thuộc vào tải yêu cầu. Công nghệ DSF đưa ra quyết định cháy/không cháy cho từng xi-lanh trên mỗi chu kỳ và dừng phun, đồng thời vô hiệu hóa van nạp và van xả tương ứng.
Bởi vì hệ thống CDA do Delphi Technologies và Tula phát triển có thể bỏ qua nhiều chu kỳ hơn tùy theo yêu cầu, tần số mô-men xoắn giảm và áp suất tuyệt đối trong đường ống nạp tăng lên, do đó tổn thất bơm làm giảm hiệu quả đốt cháy.
Nankyu Lee và cộng sự đã nghiên cứu tác động của mô hình CDA cố định và mô hình CDA biến đổi trên các động cơ khác nhau gắn trên các phương tiện khác nhau. Sử dụng mô phỏng so sánh với kết quả từ các thí nghiệm, có thể quan sát sự khác biệt giữa hai mô hình, được định lượng, thay đổi tùy thuộc vào kích thước và số lượng xi lanh động cơ, khối lượng xe, tải trọng và tốc độ sử dụng. Schamel và cộng sự đã nghiên cứu việc triển khai CDA trên động cơ 3 xi-lanh 1.0l của Ford và kết luận rằng Rolling Cylinder Deactivation (tức là DSF) là phương pháp phức tạp nhất, đòi hỏi cơ cấu tách van trên cả 3 xi-lanh, bao gồm cả áp suất dầu cần thiết cho bộ truyền động, điều này cũng dẫn đến tổn thất ký sinh cao hơn.
Tổng lợi ích nghiêng về phương pháp CDA cố định trên một xi lanh được chọn duy nhất, mang lại 90% mức tiêu thụ với chi phí là 40%.
Từ năm 2018, Ford đã sản xuất động cơ 3 xi-lanh có CDA cho xi-lanh 1, sử dụng bộ nâng dẫn động bằng thủy lực.
Mô hình ngừng kích hoạt xi lanh biến thiên có lợi ích lớn hơn khi được triển khai trên động cơ nhiều xi-lanh, có dung tích lớn, tận dụng lợi thế của việc giảm đáng kể dung tích chủ động và tổn thất do bơm.
Các công nghệ được nghiên cứu khác
Millo và cộng sự đã nghiên cứu ứng dụng hệ thống CDA trên động cơ SI 4 xi-lanh tăng áp được trang bị hệ thống dẫn động van biến thiên MultiAir (MultiAir Variable Valve Actuation). Do hệ thống MutiAir không cho phép tắt van xả nên một chiến lược đổi mới đã được phát triển, khai thác tính năng tuần hoàn khí thải bên trong (internal exhaust gas recirculation – iEGR) trong các xi lanh đã ngừng hoạt động để giảm tổn thất bơm. Chiến lược này đã được chứng minh là có hiệu quả ở mức tải thấp và số vòng quay thấp, dưới Áp suất hiệu quả trung bình phanh (Brake Mean Effective Pressure – BMEP) là 3 bar và dưới 3000 vòng / phút.
J. Zhao và các cộng sự đã nghiên cứu chiến lược kết hợp VVT với phương pháp CDA cải tiến bằng cách sử dụng 2 ống nạp, một ống góp cho xi-lanh 1 và 4 và một ống góp cho xi-lanh 2 và 3, nhằm cải thiện khả năng tiết kiệm nhiên liệu của động cơ SI 4 xi-lanh. Mặc dù hiệu suất của phương pháp nạp hai ống nạp thấp hơn nhiều so với phương pháp CDA cổ điển ở vòng tua cao, tải thấp và vòng quay thấp, nhưng các phương pháp này đều cho kết quả tương tự về mức tiêu thụ nhiên liệu. Phương pháp này phù hợp với chu trình đô thị và không yêu cầu công nghệ đặc biệt để tắt xi-lanh hoặc sửa đổi lớn động cơ. Hai đường ống nạp yêu cầu chi phí sản xuất thấp và dễ thực hiện.
Một hệ thống CDA được chế tạo bằng công nghệ FreeValve, đang được thử nghiệm trên động cơ CompressionIgnition (CI) 1.6l, nhưng có thể được sử dụng trên bất kỳ loại động cơ IC nào, nó có thể được triển khai với những lợi ích chính, nhược điểm duy nhất là chi phí. FreeValve thay thế toàn bộ hệ thống truyền động van, không còn sử dụng trục cam để mở các van. Hệ thống sử dụng bộ truyền động điện-thủy lực-khí nén để vận hành từng van riêng lẻ và độc lập, cả về thời gian và cung cấp hệ thống van biến thiên thực sự, bao gồm khả năng triển khai công nghệ CDA biến thiên hoàn toàn. Không còn cần đến van tiết lưu nữa, các cuộc thử nghiệm cho đến nay đã cho thấy mức tiêu thụ nhiên liệu giảm 15% trên cùng một động cơ. Lợi ích là rất lớn, đặc biệt là ở chế độ không tải, khi tổn thất giảm 17,2% so với hoạt động bình thường. FreeValve là một phương pháp triển khai CDA thay đổi bằng cách điều chỉnh mô-men xoắn theo yêu cầu, đồng thời khắc phục nguy cơ va đập ở tốc độ và tải trọng cao.
Một phương pháp CDA khác, do A. Gritsenko tiếp cận, chỉ liên quan đến việc vô hiệu hóa hệ thống phun và đánh lửa. Các thử nghiệm bao gồm vận hành với một xi lanh hoạt động duy nhất, với van tiết lưu mở hoàn toàn, kết quả cho thấy lợi ích trong việc giảm mức tiêu thụ nhiên liệu. Phương pháp này chưa được nghiên cứu trên động cơ nhiều xi-lanh.
Kết luận
Công nghệ dung tích thay đổi là một trong những phương pháp tiết kiệm nhiên liệu và giảm phát thải (đặc biệt là khí nhà kính) đáng kể nhất được áp dụng cho động cơ đánh lửa cưỡng bức. Hệ thống vô hiệu hóa xi lanh giúp tối ưu hóa hiệu suất phát thải khi lái xe thực sự mà không yêu cầu sửa đổi hệ thống hoặc bộ phận chính của động cơ, có thể được triển khai và áp dụng cho các động cơ hiện có cũng như kết hợp với các hệ thống cải thiện nhiên liệu và khí thải khác. Các nhà sản xuất không ngừng cố gắng tối ưu hóa độ phức tạp, chi phí và hiệu suất của công nghệ ngừng kích hoạt xi-lanh cho động cơ đánh lửa cưỡng bức hiện tại và tương lai.
